• Nie Znaleziono Wyników

METODY I TECHNIKI ODTWARZANIA ROZKŁADÓW 3ASN0ŚCI

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1984 (Stron 44-61)

Mimo wymienionych wyżej, na pozór nie do pokonania, trudności często udaje się odtworzyć wiarogodne mapy radioźródeł dysponujęc bardzo niepełnę informację o obserwablach. Pokrycie płaszczyzny uv wynikajęce z 5 baz, a w sprzyjajęcych okolicznościach nawet z 3 lub 4 ( S i m o n i in. 1980; P e a r s o n i in. 1980), czy­ ni praktycznie realnę syntezę map radiowych. Dzieje się tak dla­ tego, że dużo informacji o fazie funkcji widzialności znajduje się w samych amplitudach, że często dysponujemy informację a prio­ ri o źródle i że istnieję ograniczenia typu 8 ^ 0 . U P r e u s s a (1981) znajduje się wykaz 42 obiektów pozagalaktycznych, których mapy wykonano przynajmniej raz technikami V L B I .

Przedstawimy teraz kolejno najważniejsze ze schematów inwer­ sji danych interferometrycznych prowadzęcych do rozkładów jasnoś­ ci źródeł w postaci map. Część z nich, te najwymyślniejsze omówio­ ne w drugiej kolejności, zrodziła się z wygórowanych potrzeb tech­ niki VLBI narzuconych niedoskonałością materiału obserwacyjnego. Metody inwersji bezpośredniej, punkty 1-3, daję o k . 5 % poziomy listków bocznych oraz wysokie poziomy pierścieni dyfrakcyjnych wywołanych dyskretnym próbkowaniem płaszczyzny u v , nawet przy do­

brym pokryciu tej płaszczyzny. Gorsze przypadki pokrycia zwiększa­ ją te poziomy nawet do 30%. Ponadto metod tych nie da się zasto­ sować w przypadkach braku pomiarów fazy funkcji widzialności.

Interferometria wielkobazowa 35 3.1. Inwersja bezpośrednia

Polega ona na bezpośrednim wykorzystaniu twierdzenia Van Cit- tert-Zernike. W przypadku dyskretnych danych obserwacyjnych rów­ nanie transformujące ma postać:

gdzie (£.1?) są współrzędnymi na niebie, a (u|< tVk ) jest k-tym punk­ tem płaszczyzny uv. Zsyntezowaną wiązkę charakterystyki kierunko­ wej (rys. 2) odpowiadającą tej inwersji dostaje się przyjmując, że obserwowane źródło jest punktowe, t z n . kładąc na V wartość 1:

Kształt tej wiązki można formować przez odpowiedni wybór wag w ^ . Algorytm ten, ze względu na czasochłonność, jest rzadko uży­ wany .

3.2. Szybkie przekształcenie Fouriera (FFT)

Oeśli analizowane dane pochodzą z regularnej siatki na płasz­ czyźnie uv, to można zastosować wielokrotnie szybsze algorytmy obliczania widma (np. C o o l e y i T u k e y 1965; W i - n o g r a d 1978). Zbiór obserwacyjnych punktów pomiaru nie two­ rzy takiej siatki i dlatego konieczna jest interpolacja ( T h o m ­ p s o n i B r a c e w e l l 1974; D r a c e w e l l i T h o m p s o n 1973, 1974). Interpolacji dokonuje się przez splot wartości pomiarowych funkcji widzialności z wybraną funkcją interpolującą. Do splatania używa się funkcji sine (= sin(x)/x), gaussowskiej lub jednostkowej (interpolacja liniowa). Przyjmuje się, że jeżeli pole widzenia jest ograniczone do (l/Au)x(i/ A v ) , to siatka powinna mieć „oczka” o wymiarach A uX Av , ale nie gęś­ ciej niż szerokość połówkowa wiązki. Skończony odstęp i regular­ ność pobierania próbek z płaszczyzny uv wywołuje efekt uboczny

(aliasing; F o m a l o n t 1973; K e n d e r d i n e 1974) po­ legający na tym, że źródła spoza pola widzenia (spoza mapy)

nakła-® (§ >?) -

£

W(,expC-j(uk | + v.i?)]. V(u.,vk ),

k

(

1

)

36 K. M. Borkowski, A. 0. Kus

In t e r f e rom etria w i e lkobazowa 37 daję się na obserwowany ob ie kt. Zjawisko to jest analogiczne do efektu spowodowanego próbkowaniem sygnałów w dziedzinie czasu z częstością mniejszą niż częstość Nyquista. 2 tym niepożądanym zja­ wiskiem walczy się m. in. przez właściwy dobór funkcji wygładzają­ cej użytej do interpolacji i przez poszerzanie pola widzenia

(r y s . 3).

Podprogramy FFT są obecnie dość powszechnie wykorzystywane ja­ ko elementy bardziej zaawansowanych iteracyjnych algorytmów od­ twarzania obrazów radiowych (np. INVERT).

3.3. Metody analogowe

Wiadomo, że obraz dyfrakcyjny utworzony przez aperturę oświet­ loną światłem monochromatycznym jest transformatę Fouriera rozkła­ du jasności na aperturze. Zjawisko to wykorzystuje się do inwer­ sji funkcji widzialności zapisanej w tym przypadku na kliszy fo­ tograficznej . Spójne światło po przejściu przez kliszę skupia się na siatkę fotodetektorów, na której powstaje obraz źródła. Metoda ta daje gorszę dokładność niż metody cyfrowe ( F o m a l o n t 1979).

Znane sę metody wykorzystujące zjawisko piezoelektryczne do zamiany sygnału radiowego o niskiej częstości na fale ultradźwię­ kowe, które w dalekim polu tworzę obraz przetworzony fourierowsko. Wspomnimy jeszcze tylko o wykorzystaniu w podobnych celęch socze­ wek radiowych, kabli koncentrycznych i urządzeń opartych na stru- mianiach elektronów. Żadna z tych metod nie znalazła jeszcze sze­ rokiego zastosowania w radioastronomii. Zainteresowanych odsyłamy do pracy C o l e ' a (1979).

Rys. 2. Przykład zastosowania inwersji bezpośredniej. Mapę zsynte- zowanej charakterystyki kierunkowej (a) i obszaru okołobiegunowe- go (b) otrzymano dla 5 pierwszych (najkrótszych) baz na częstości 43 MHz. Obserwacje wykonano w latach 1972/1973 w Toruniu za pomo­ cą przenośnego systemu anten do syntezy apertury. Na mapie domi­ nuje radioźróoto Cas A otoczone silnymi pierścieniami pochodzący­ mi od listków bocznych. Rysunki te pochodzą z nieopublikowanych

Interferometria wielkobazowa 39 3.4. Dopasowywanie modeli rozkładów jasności

Metody tej grupy wykorzystuję zmierzoną funkcję widzialności bezpośrednio do wyznaczenia zgodnego z nię rozkładu jasności mo­ delowego źródła. Dobieranie modelu jest zwykle procesem interacyj- nym, w którym parametry opisujęce źródło, tzn. ilość składników, ich rozmiary i jasność, sę modyfikowane w każdym cyklu aż do chwi­ li osięgnięcia zadowalajęcej / zgodności ( F o m a l o n t 1968). Cała analiza sprowadza się do minimalizacji błędu widzialności:

AV = r » k | v ( v v k ) - V . | 2 . ( 3)

gdzie V m jest widzialnościę modelowego źródła. Ze względu na wy­ godę przekształcenia Fouriera, za składniki modelu przyjmuje się najczęściej rozkłady gaussowskie. Deźeli dane wejściowe sę bezfa- z o w e , to absolutne położenie dopasowanego modelu jak i jego sy­ metria pozostaję nieokreślone.

Metoda najmniejszych kwadratów zastosowana do równania (3) prowadzi do powstania nieliniowego układu równań, który można zli­ nearyzować w bezpośrednim sąsiedztwie rozkładu próbnego i dostać w wyniku jego rozwiązania niewielkie poprawki parametrów początko­ wych modelu. Poprawiony rozkład modelowy jest używany jako model początkowy do następnej iteracji. Oeąli modele są złożone, to pro­ ces iteracyjny nie zawsze jest zbieżny, a często bywa powolny

( F o m a l o n t i W r i g h t 1974). 3.5. Odejmowanie źródeł

Mapy radioźródeł często zawierają struktury pochodzące od list­ ków bocznych zsyntezowanej wiązki. Struktury te zniekształcają, lub wręcz zakrywają, słabsze obszary emisji. Skuteczną metodą usu­ wania tych wypaczeń jest odejmowanie funkcji widzialności inten­ sywnych źródeł znajdujących się w polu widzenia, albo poza nim,od zmierzonej funkcji widzialności. Pomocną procedurą wyszukiwania

Rys. 3. Przykład pełnej syntezy apertury ze 128 bazami interfero­ metru 1-milowego z Cambridge (Wielka Brytania) wykonanej metodą szybkiego przekształcenia Fouriera. Część a) przedstawia zsynte- zowaną wiązkę, zaś b) - centralny fragment przeglądu 5C7 (K u s

40 K. M. Borkowski, A. □ . Kus

tych silniejszych składników jest opisane w poprzednim podpunkcie dopasowywanie modeli. W przypadku względnie prostych struktur, oryginalna mapa zawierająca listki boczne na poziomie 30% może być tym sposobem poprawiona do poziomów rzędu 5

%

w początkowej skali ( F o m a l o n t i W r i g h t 1974; ' W i n d r a m 1970).

3.6. Czyszczenie map

--- ’ ■' --- ---

Podobnie jak poprzednie, metoda ta służy do usuwania wpływu listków bocznych charakterystyki promieniowania systemu antenowe­ go. Oest to rodzaj pasmowo ograniczonego rozplatania (dekonwolu- cji), w którym rozkład jasności zostaje zdekomponowany na sumę charakterystyk promieniowania (zsyntezowanych wiązek) (R o g s - t a d i S h o s t a k 1971; por. też G r ę i s e n 1973; N o w a k o w s k i 197 5).

Niech 5^(1 ,17) będzie rozkładem uzyskanym z prostej inwersji funkcji widzialności („brudna” mapa), a ~ odpowiednią wią­ zkę instrumentalną („brudna" wiązka). Słynny i popularny algorytm czyszczenia, CLEAN (H o g b o m 1974), rozwiązuje następujące równanie:

gdzie B r jest rezidualnym rozkładom jasności, a liczby A^ są wyz­ naczane w procesie rozwiązywania. Równania (4) nie da się rozwią­ zać analitycznie, a metoda iteracyjna składa się zwykle z nastę­ pujących kroków:

(a ) wyznaczenie brudnej mapy i wiązki za pomocą metod inwer­ sji,

(B) wyszukanie miejsca w którym jasność | B d | jest naj­ większa

,

(c)

odjęcie z całej mapy pewnego ułamka q brudnej wiązki skie­ rowanej na punkt ( j ^ * ^ ) 5

3d - * ^ d ^ i ^ i )

(d) powrót do kroku (b) z nowym rozkładem jasności B ^ , albo zakończenie procesu iteracji, jeśli: I (^i (ł?i) I 3est mniejsze od zadanej wartości, bądź ilość iteracji przekracza zadaną granicę, bądź | Bd ( ^-L»7 ±) I przestaje maleć.

Interferometria wielkobazowa 41 W czasie kolejnych iteracji wiązka noże być odjęta kilka razy w tym samym miejscu. W praktyce przyjęcie q 0,5 prowadzi do szyb­ kiej i dokładnej zbieżności. „Czystą" mapę dostaje się ze zsumo­ wania zgodnie ze wzorem (4), w którym brudną wiązkę zastępuje się inną - „czystą". Na tę czystą wiązkę przyjmuje się zwykle funkcję Gaussa najlepiej przybliżającą część centralną wiązki instrumen­ talnej (por. też procedurę C h o w i P e l l e t i e r a , 1974).

Podstawową wadą algorytmu CLEAN jest niedokładna rekonstruk­ cja obszarów promieniowania rozciągłego. Wśród zalet wylicza się znaczną szybkość (szczególnie w implementacji C l a r k a , 1980), względną prostotę w korzystaniu oraz wygodę w użyciu w różnora­ kich procedurach autokalibracyjnych (np. S c h w a b 1980; C o r ­ n w e l l i W i l k i n s o n 1981). C o r n w e l l (l983) zaproponował ostatnio dwie modyfikacje CLEANu mające na celu złagodzenie wspomnianej wady. Oedna z nich jest zachęcająco pros­ ta i wymaga jedynie trywialnej zmiany algorytmu programu.

Zalety CLEAN-u i trudność analizy matematycznej (z powodu ite- racyjnego charakteru metody) uczyniły go powszechnym narzędziem radioastronomów jeszcze przed gruntownym zbadaniem poprawności me­ todycznej (rys. 4). Praktyka i późniejsze analizy algorytmu wyka­ zały ( S c h w a r z 1977ab, 1978, 1979; S a n r o m a i E s - t a 1 e 1 1 a 1983), że oprócz niewątpliwych zalet ma on istotne ograniczenia zbieżności i jednoznaczności rozwiązań, szczególnie przy źródłach o bardziej złożonej strukturze. Ograniczenia te w sumie jednak ujmują niewiele z praktycznej użyteczności CLEANu, oczywiście jeśli obserwator zdaje sobie sprawę z ich istnienia.

3.7. Kalibracja fazy na źródłach punktowych

Dest to metoda autokalibracji fazy, którą wykorzystuje się w wielu specjalnych przypadkach opracowania danych VL8I (np. M o ­

r a n i i n . 1967; P e c k h a m 1973; B o o t h i in. 1981). Procedura może wyglądać następująco ( F o m a l o n t 1979); Na wstępie trzeba oczyścić mapę zwykłymi metodami. Następnie należy odjęć od funkcji widzialności wszystkie oczyszczone składniki z wyjątkiem jednego - tego kalibracyjnego - i odtworzyć mapę, która teraz zawiera Jedynie to dominujące źródło punktowe wraz z listka­ mi bocznymi oraz amplitudą i fazą fluktuacji pochodzących z

zakłó-42

K. M. Borkowski, A. 0. Kus

Interferometria wielkobazowa 43

Rys. 4. Ilustracja działania-CLEANu na danych bezfazowych pocho­ dzących z kombinacji obserwacji VLBI (na bazie Effelsberg - Dwin- geloo) i MERLINu (Wielka Brytania) (K u s i i n . 198l}. Rysunek a) zawiera mapę „brudną” , bj - „brudną" wiązkę, zaś c) - mapę w y ­ czyszczoną z podwyższoną czułością. Dest to jedna z pierwszych map hybrydowych źródła 3C309.1. Najmniejsza podziałka kątowa na

tych rysunkach wynosi 0"5

ceń obserwacji. Wreszcie należy oczyścić mapę początkową wykorzys­ tując nową odpowiedź na źródło punktowe.

W praktyce częściej wyizolowane w powyższy sposób źródło punk­ towe transformuje się na widzialność i jej fazę odejmuje się od faz obserwowanych. Zmodyfikowana tak obserwowana funkcja widzial­ ności używana jest dalej w typowy sposób do odtwarzania obrazu źródła. N o r r i s (1983) przedstawił rozszerzenie tej metody na przypadek, kiedy źródło odniesienia nie jest punktowe w zasto­ sowaniu do obserwacji widmowych. Istota tego rozszerzenia polega na tym, że fazom względnym zwraca się znane przyczynki pochodzące od struktury źródła referencyjnego, odjęte pierwotnie od faz ob­ serwowanych w czasie obliczania faz różnicowych.

44 K. M. Borkowski, A. 0. Kus 3.8. Metoda maksimum entropii (MEM)

Pierwsza zasada redukcji danych obserwacyjnych mówi, że rezul­ taty przekształceń dokonywanych na surowych wynikach powinny uwz­ ględniać całą stosowną wiedzę i być z nią w zgodzie oraz powinny być maksymalnie niezależne od niedostępnych danych. Zwykłe techni­ ki inwersji (wyjąwszy dopasowywanie modeli) zakładają implicite wartość zero funkcji widzialności w miejscach płaszczyzny uv, gdzie nie było pomiarów. MEM (rozdz. V u S c h o o n e v e l d a , 1979) korzysta tylko z danych rzeczywiście zmierzonych i daje rozkład jasności, który Jest najbardziej losowy, tzn. ma najwięk­ szą entropię, ze wszystkich możliwych rozkładów zgodnych z danymi obserwacyjnymi.

Metoda maksimum entropii (b u r g 1967; N e w m a n 1977; U s o w i c z 1981; M c C l e l i a n 1982; □ o h n s o n 1982; R o b i n s o n 1982) została opracowana początkowo do analizy widmowej danych autokorelacyjnych, a potem uogólniona dla potrzeb interferometrii przez A b 1 e s a (l974). Wielu autorów sądzi, że jest to jedyna rozsądna metoda analizy danych doświad­ czalnych, a radioastronomowie pokładają duże nadzieje w tej meto­ dzie na poprawę jakości map, szczególnie pod względem rozdziel­ czości i wi arogodności.

U podstaw MEM leży minimalizacja rozbieżności pomiędzy końco­ wą mapą i mapą odpowiadającą zmierzonej funkcji widzialności (po­ dobnie jak u CLEANu w sensie odchyłek średniokwadratowych) i mak­ symalizacja pewnego funkcjonału (entropii) mapy. Wyróżnia tę me­ todę z innych druga własność, która sprowadza się zasadniczo do dwóch kryteriów wcielanych bezpośrednio przez algorytmy; dodat- niość rozkładu jasności i jego „gładkość". W praktyce można okreś­ lić kilka funkcjonałów entropii na jasności źródła (np. £ B

k

(|k .,k )). co z teoretycznego punktu widzenia jest słabością meto­ dy, ale wszystkie one prowadzą do podobnych wyników

(w

e r n e c- k e 1977; S a n r o m a i E s t a l e l l a 1983). Obecnie istnieje kilka różnych algorytmów odtwarzania map metodą maksymal­ nej entropii. Algorytm „pseudo-MEM" C o r n w e l l a (l982) w y ­ korzystuje CLEAN w procesie iteracyjnym, w którym brudna mapa jest modyfikowana w celu uzyskania końcowych składników „maksy- malno-entropijnych" , a nie jak zwykle - ..czystych". Inne algoryt­

-Interferometria wielkobazowa 45 k e i D'A d d a r i o 1 9 77 ; G u l i i D a n i e l i 19 7 8 ; S a n r o m a i E s t a l e l l a 1 9 8 3 ; por. też L i m i M a l i k 1 9 8 1 ; K o m e s a r o f f i in. 1 9 8 1 ) .

3.9. Metody bezfazowe (mapy hybrydowe)

Nawet zupełny brak pomiaru faz listków interferencyjnych nie przesadza jeszcze o nieprzydatności takich danych do tworzenia map. Opierając się na technikach stosowanych m. in. w krystalogra­ fii B a l d w i n i W a r n e r (1976) opracowali metodę bezfazowego odtwarzania rzeczywistych rozkładów jasności w przy­ padku, gdy jedno źródło punktowe dominuje w polu widzenia (por. też R i l e y i P o o l e y 1978). Później ( B a l d w i n i - W a r n e r 1978) rozszerzyli ją oni na przypadki ogólniej­ sze - bez wymogu punktowości ani dominacji.

Deden ze sposobów polega na przetransformowaniu (fourierowsko) nie samych amplitud, lecz ich kwadratów z fazami ustalonymi na ze­ ro i analizie takiej mapy pr ób ne j. W analizie tej wykorzystuje się fakt, że mapa uzyskana z kwadratów amplitud jest dwuwymiarową funkcję autokorelacji mapy prawdziwej, w związku z czym posiada szereg charakterystycznych symetrii pozwalających odróżnić skład­ niki rzeczywiste od fałszywych.

W drugiej metodzie używa się mapy próbnej zawierającej nie­ które ze składników prawdziwych. Można ją uzyskać z analizy mapy kwadratów amplitud (z poprzedniej metody), bądź wykorzystując in­ ne informacje. Z takiej mapy oblicza się fazy funkcji widzialnoś­ ci i dołącza do obserwowanych bezfazowych amplitud. Tak skompono­ wane dane stanowią podstawę do n o w e j , poprawionej mapy próbnej zwanej hybrydową. Po 2-3 cyklach poprawiania map próbnych dostaje się mapę o jakości mapy prawdziwej.

K u s i i n . (l98l; por. też G r z y b e k 1983) wyznaczali rozkład jasności z samych amplitud listków interferencyjnych ko­ rzystając z metody podobnej do zaproponowanej przez F o r t a i Y e e (1976) i rozszerzonej przez C o h e n a ( W i l k i n s o n i i n . 1977). Początkowy model źródła transformowano na funkcję widzialności, której samą fazę wykorzystywano w miejsce brakujących faz w danych obserwacyjnych. Uzyskana tak widzialność „hybrydowa" była transformowana na rozkład jasności. Wynikową ma­ pę czyszczono CLEANem i ponownie transformowano na widzialność,

46 K. M. Borkowski, A. 3. Kus

której fazy wraz z obserwowanymi amplitudami były podstawę do następnego przybliżenia rozkładu jasności.

Mapy hybrydowe, z powodu braku fazy, maję 180° nieokreśloność pozycji i dowolność położenia na niebie. Na ogół istnieje jednak jakaś szczętkowa informacja o fazie, która wystarcza do rozwięza- nia wspomnianej nieokreśloności.

Termin „hybrydowe" przylgnęł później do ogólniejszej klasy map zrekonstruowanych z niepełnych danych obserwacyjnych i wykona­ nych niekonwencjonalnymi metodami (rys. 5).

Rys. 5. Pierwsza mapa źródła 3C286 wykonana w Toruniu z obserwa­ cji VLBI w 3odrell Bank, Toruniu i Westerborku (k u s i i n .

1983)

3.10. Metody zamkniętych obserwabli

Znanę wcześniej metodę zamkniętych faz (closure phase; D e n ­ n i s o n 1958; R o g s t a d 1968) R o g e r s i in. (1974) przystosowali do odtwarzania map VL8I obarczonych błędami fazy. Istotę jej jest tworzenie algebraicznej kombinacji obserwowanych

Interferometria wielkobazowa 47 faz funkcji korelacji wokół triad anten (k, 1, m). W takich kombi­ nacjach wszystkie indywidualne przyczynki do faz, a związane z miejscem obserwacji (atmosfera Ziemi, teleskop) znoszę się całko­ wicie wraz, zresztą, z całę przypisaną środkowi źródła fazę:

*kl + $ lm * $mk 3 0 (5 )

(bo “ <Pi - (f ). To co nie znika w zamkniętych fazach jest

zwięzane tylko ze strukturę źródła i pochodzi z zespolonej funk­

cji widzialności V, występującej we wzorach (6) i (l3) cz. III

oraz (7) cz. I. W rzeczywistości fazy ze wzoru (5 ) sę tylko

estymatorami tych wielkości na poszczególnych bazach sieci, a za­ tem sę obarczone niewielkimi błędami wprowadzanymi w czasie kore­

lacji oraz błędami wynikajęcymi ze skończonej czułości systemów

odbiorczych (błęd „termiczny" e ze wzoru (13) cz. III).

Ponieważ z n-elementowej sieci anten dostaje się Q ) 3 n(n-l)/2 niezależnych faz (i amplitud) stowarzyszonych z tyloma wekto­ rami baz, zaś niezależnych faz względnych jest n - 1 (na jednę z faz można położyć wartość o), to daje się utworzyć (£) - (n - l) = = (n - l)(n - 2)/2 niezależnych zamkniętych faz, Wynika z tego, że zamknięte fazy zawierają C(n - l)(n - 2)/2U/(g) " (n “ 2 )/n całkowitej informacji o fazie funkcji widzialności.

Opracowano kilka programów iteracyjnych na dopasowywanie mo­

deli rozkładów jasności z uwzględnieniem zamkniętych faz (np.

F o r t i Y e e 1976; W i l k i n s o n i in. 1977; C o t ­

t o n 1979}. W wersji R e a d h e a d a - i W i l k i n s o -

n a (1978; też W i l k i n s o n i R e a d h e a d 1979)

pierwszy krok cyklu iteracji polega na obliczeniu n - 1 faz funk­

cji widzialności z modelu źródła, w drugim rozwięzuje się

(n - l)(n - 2)/2 równań zamkniętych faz w celu wyliczenia pozosta­ łych faz funkcji widzialności z wartości obserwowanych, a pozosta­ łe kroki sę identyczne z tymi, które występuję w dowolnym pakie­ cie programów procedury INVERT i CLEAN.

Zupełnie niedawno do celów VLBI zaprzęgnięto również znanę

wcześniej (T w i s s i i n . I960) i zapomnianą metodę zamkniętej

amplitudy - analogu do zamkniętej fazy - stosowalną w przypadku

obserwacji przynajmniej czterema teleskopami (k, 1, m, n).

Oeżeli wyrażenie (6) będź (13) z cz. III, stanowiące model

listków interferencyjnych (funkcji korelacji), można przybliżyć

a) 1.00 0.80 0.60 0.40 0.20 o 1.00 0.80 0.60 0.40 >= 0.20 :? o X 1.00 ::J ...J 0.80 u. o 0.60 UJ � 0.40 � 0.20 �o o 1.5 u 1.2 0.9 0.6 0.3 o 4.0 3.2 2.4 1.6 0.8 o Oe t 1982 TOTAL FLUX= 1660 MHZ 6.8 JY JODR-NRAO 14 HSTK-NRAO 16 18 20 22

GREENWICH SIDEREAL TIME

o 2

1660 MHZ

b) 180 Oct 1982 TOTAL FLUX = 6.8 JY

90 o -90 -180 90 v; UJ -90 UJ er �-180 UJ 90 I/) 4: o I a.. UJ -90 er ::J � -180 ...J u 90 o -90 -180 90 o -90 -180. -ONSA-BONN-DWIN ... „-.„,,1

0

14 ONSA-BONN-JODR ON SA-BONN-HS TK O NSA-BON N-NRAO ONSA-BONN-FDUS 16 18 20 22

GREENWICH SIDEREAL TIME

50 40 30 20 Iii o o '"'-10 -20 -30 -40 -50 !:':.'> 50 40 30 3C309.1 18 cm Globol Oct 1982 o,-. n<"._:; („.-) '�i' 20 10 o -10 -20 -30 x (milliarces) -40 -50

Rys. 6. Przykład stosowania tech­

nik syntezy apertury globalnej VLBI udzia­ łem 4 s-tacji w Europie i 4 w

USA).

Funkcje widzialności

(

amplitudy

)

dla kilku wybranych baz, b

)

zamknięte fazy wraz z dopasowaniem danych i mapy, c

)

mapa radioźródła 3C309.1 ze zdolnościę rozdzielczę 2,5 milisekundy łuku 1 dynamikę ok. 100. Obserwacje wykonano w październiku 1982 r. na częstości 1660 MHz

50 K. M. Borkowski, A. 3. Kus

rki B 9|<giexp CjOpic - i)3v ki' (6 > to wielkość

r r * V V *

. kl mn kl nn \

klmn 3 = V km V ln' ( } jest zupełnie wolna od czynników zawierających błędy amplitudy, gi . Dla każdej czwórki anten można utworzyć trzy takie niezależ­ ne wielkości (oprócz wypisanej jeszcze kombinacje klnm i knml), które nazywane sę „zamkniętymi widzialnościami" ( R e a d h e a d i in. 1980). Zamkniętę amplitudę nazywa się moduł zamkniętej w i ­ dzialności , bgdź wielkość analogiczna do (7), utworzoną? z modułów widzialności i jest ich niezależnych dwie w sieci czteroantenowej . W sieci n-elementowej jest (g) niezależnych funkcji korelacji r^,

a niezależnych amplitud jest tyle, ile teleskopów, czyli n. Możli­ we jest więc utworzenie (£) - n » n(n - 3)/2 niezależnych zamknię­ tych amplitud (będź innych niezależnych wielkości niosęcych infor­ macje o amplitudzie). Wynika z tego dalej, że ułamek całkowitej informacji o amplitudach funkcji widzialności w zamkniętych ampli­ tudach wynosi C n (n - 3 )/2J / (

2

) * (n “ 3 )/(n “ i)* Oznacza to, że kiedy sieć liczy 10 stacji, to już niemal 80% całkowitej informa­ cji o funkcji widzialności znajduje się w dwu wielkościach zamk­ niętych - amplitudzie i fazie. Dołączenie jednej stacji do takiej sieci niewiele poprawia efektywność wykorzystania informacji tkwią­ cej w oryginalnych danych, chociaż pozostaje niezmiennie .vażna wy­ nikająca z tego uzupełnienia poprawa pokrycia płaszczyzny uv (o czynnik 2). R e a d h e a d i in. (l980) pokazali, że metoda zamkniętych amplitud można uzyskiwać wiarogodne mapy w obecności nawet znacznych błędów pomiaru amplitudy listków interferencyj­ nych .

Deszcze bardziej zaawansowane podejście do hybrydowej rekonst­ rukcji obrazów radioźródeł zaproponowali ostatnio S c h w a b (1980) oraz C o r n w e l l i W i l k i n s o n (l98l). W tych podejściach łęczy się cechy algorytmów zamkniętych faz i zamkniętych amplitud i - co jest chyba jeszcze cenniejsze - uwzg­ lędnia się różnie ważone indywidualne błędy teleskopów sieci.

C o r n w e l l i W i l k i n s o n w swojej procedurze używaję najpierw mapy próbnej do obliczenia | i §>|,^ dla w s zy­ stkich obserwowanych punktów bezpośrednio przez transformację

Fou-Interferometria wielkobazowa 51 riera. Następnie obliczane sę błędy amplitudy i fazy dla każdego odcinka integracji funkcji korelacji z wykorzystaniem wszystkich dostępnych danych obserwacyjnych na wszystkich bazach. Obserwowa­ ne wielkości sę korygowane i przetwarzane za pomocę typowego pro­ gramu, w danym przypadku INVERT i CLEAN, na nowę mapę próbnę. P r o ­ ces zostaje powtórzony z tę nowę mapę. W kolejnych iteracjach po­ prawki staję się na ogół mniejsze, a test zbieżności pozwala za­ kończyć pracę we właściwym momencie (rys. 6).

Warto jeszcze raz zwrócić uwagę na to, że wielkości zamknięte sę całkowicie niezależne od mocy źródła i jego położenia, tak sa­ mo jak od błędów tych parametrów. Z tego powodu mapy oparte wy- łęcznie na zamkniętych obserwablach, podobnie jak mapy hybrydowe B a l d w i n a i W a r n e r a , maję dowolność poczętku współrzędnych i ponadto dowolność skali strumienia.

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1984 (Stron 44-61)

Powiązane dokumenty